JP2006109185A

JP2006109185A - 撮像装置および撮像方法

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Publication number: JP2006109185A
Application number: JP2004294393A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Kitaoka; 隆一北岡; Toshihisa Maeda; 利久前田
Original assignee: Konica Minolta Photo Imaging Inc
Current assignee: Konica Minolta Photo Imaging Inc
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20
Also published as: US20060077277A1

Abstract

【課題】簡易な回路構成で、ブルーミングの抑制を適切に行える撮像技術を提供する。
【解決手段】撮像装置は、例えばＣＣＤなどの撮像素子と、撮像素子におけるオーバーフロードレイン(ＯＦＤ)のポテンシャルを変更させる電子シャッター(ＳＵＢ)パルスを出力するタイミングジェネレータとを備えている。このタイミングジェネレータでは、ライブビュー表示時に通常のＳＵＢパルスＰａを撮像素子２０に出力するとともに、本撮影時における撮影指示(Ｓ２オン)から露光開始までの期間に、通常ＳＵＢパルスＰａの位相を反転させた反転ＳＵＢパルスＰｂを撮像素子２０に出力する。これにより、本撮影時の露光前においてＯＦＤからの電荷排出を比較的長い時間行えるため、簡易な回路構成によりブルーミングの抑制を適切に行えることとなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、光電変換部に蓄積された電荷を排出するためのオーバーフロードレインを有する撮像素子を利用した撮像技術に関する。

デジタルカメラ(撮像装置)では、ＣＣＤ(撮像素子)の光電変換部にオーバーフロードレイン(ＯＦＤ)と呼ばれるポテンシャル構造を設けることで、光電変換部で電荷が飽和することを防止し、ブルーミングを抑えている。すなわち、高輝度被写体の撮影等に起因した過剰な光電変換により光電変換部で生じた余剰電荷を、他の画素や電荷転送路等に流入させないように、基板の中に吸い取れるようになっている。

このＯＦＤのポテンシャルは、タイミングジェネレータから送られる電子シャッターパルス(ＳＵＢパルス)によって変更可能となっているが、このＳＵＢパルスを利用して電子シャッターと呼ばれる露光制御が行える。ただし、ＯＦＤのポテンシャル変更を行わせるＳＵＢ信号が入力されると撮像素子全体のポテンシャルが変動するため、電荷転送中に入力した場合には正常な電荷転送が不可能となり、画像ノイズが生じることとなる。したがって、ＳＵＢパルスにおいてＯＦＤのポテンシャル変更をオンする信号（以下では、単に「オン信号」という）は、１水平期間に１回の頻度で、垂直転送路および水平転送路での電荷転送が停止している僅かな時間帯を狙って入力するのが一般的である。

また、他のブルーミング防止技術としては、例えば特許文献１に開示されるように、信号電荷を読み出す前に行われる第１フィールド側の掃き出し転送を、第２フィールド側の掃き出し転送よりも長い時間行う技術がある。これにより、第１フィールド側の掃き出し転送期間での取り扱い電荷量を増やせるため、ブルーミングの抑制が図れる。

特開２００１−１４８８０９号公報

しかしながら、上記の技術では、電荷排出のためにＯＦＤのポテンシャル変更を行う時間が極めて短時間であったり、掃き出し転送期間の延長は第１フィールドのみであるため、ブルーミングを十分に抑制できるとは限らない。特に、近年においては、撮像素子の高画素化に伴って画素ピッチが縮小化される傾向であり、光電変換部のＭＯＳキャパシタが小さくなるとともに隣接画素までの間隔が短くなることから、ブルーミングが発生し易い状況となっている。このような状況において、上記の技術によりブルーミングを適切に除去するのは難しいと考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な回路構成で、ブルーミングの抑制を適切に行える撮像技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、撮像装置であって、(a)光電変換を行う光電変換部に蓄積された電荷を排出するためのオーバーフロードレインを有する撮像素子と、(b)前記オーバーフロードレインのポテンシャルを制御する駆動信号を、前記撮像素子に出力する駆動手段とを備え、前記駆動手段は、(a-1)被写体の撮影に係る第１の状態の場合には、第１のパルス信号を前記駆動信号として出力する第１出力手段と、(a-2)前記第１の状態と異なる第２の状態の場合には、前記第１のパルス信号に対して位相を反転させた第２のパルス信号を前記駆動信号として出力する第２出力手段とを有するとともに、前記第２のパルス信号では、前記第１のパルス信号に比べて１パルス周期のうちの電荷排出時間が長くなる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る撮像装置において、前記第１の状態は、ライブビュー表示を行う期間に相当し、前記第２の状態は、本撮影に関して撮影指示から露光開始までの期間に相当する。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る撮像装置において、前記第１の状態は、低輝度の被写体を撮影する状態であり、前記第２の状態は、高輝度の被写体を撮影する状態である。

また、請求項４の発明は、光電変換を行う光電変換部に蓄積された電荷を排出するためのオーバーフロードレインを有する撮像素子と、前記オーバーフロードレインのポテンシャルを制御する駆動信号を前記撮像素子に出力する駆動手段とを利用する撮像方法であって、(a)被写体の撮影に係る第１の状態の場合には、第１のパルス信号を、前記駆動信号として前記駆動手段から出力する第１出力工程と、(b)前記第１の状態と異なる第２の状態の場合には、前記第１のパルス信号に対して位相を反転させた第２のパルス信号を、前記駆動信号として前記駆動手段から出力する第２出力工程とを備え、前記第２のパルス信号では、前記第１のパルス信号に比べて１パルス周期のうちの電荷排出時間が長くなる。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、被写体の撮影に係る第１の状態の場合には、第１のパルス信号をオーバーフロードレインのポテンシャルを制御する駆動信号として駆動手段から出力し、第１の状態と異なる第２の状態の場合には、第１のパルス信号に対して位相を反転させた第２のパルス信号を駆動信号として出力するとともに、第２のパルス信号では第１のパルス信号に比べて１パルス周期のうちの電荷排出時間が長くなる。その結果、簡易な回路構成で、状況に応じたブルーミングの抑制を適切に行える。

特に、請求項２の発明においては、第１の状態はライブビュー表示を行う期間に相当し、第２の状態は本撮影に関して撮影指示から露光開始までの期間に相当するため、本撮影時において十分にブルーミングを抑制できる。

また、請求項３の発明においては、第１の状態は低輝度の被写体を撮影する状態であり、第２の状態は高輝度の被写体を撮影する状態であるため、高輝度時において十分にブルーミングを抑制できる。

＜撮像装置の構成＞
図１および図２は、本発明の実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。図１は正面側から見た概略斜視図であり、図２は背面側からみた概略斜視図である。

撮像装置１は、例えばデジタルカメラとして構成されており、その正面側に撮影レンズ２と光学ファインダー３とフラッシュ４とを備えるとともに、その上面側にシャッタボタン９を備えている。

また、撮像装置１は、その背面側に液晶表示部（以下では、単に「表示部」という。）５とボタン群７とを備えている。ボタン群７は十字カーソルボタン７ａ〜７ｅで構成されている。

シャッタボタン９は、撮影者による半押し状態（以下、Ｓ１状態とも称する）と全押し状態（以下、Ｓ２状態とも称する）とを区別して検出可能な２段階押し込みスイッチとなっており、半押し(Ｓ１)されたときに自動合焦制御を開始し、全押し(Ｓ２)されたときに記録用静止画を撮影するための本撮影動作を開始する。

表示部５は、被写体のプレビュー表示（ライブビュー表示とも称する）及び記録画像の再生表示等を行う。

ライブビュー表示においては、撮像装置１の電源オン後や本撮影が完了すると、１／３０秒ごとに低解像度で被写体の撮像を繰り返し、撮像画像を表示部５に動画的態様で表示する。これにより、撮影者は、撮像画像における被写体の位置および大きさ等を知覚し、フレーミング動作を行える。

蓋６は、電池室およびメモリカード装着部を覆う部分に設けられている。言い換えれば、蓋６の内部側には、電源電池ＢＴを収容する電池室と着脱自在な記録媒体であるメモリカード９０を装着するメモリカード装着部とが設けられている。本撮影によって得られる画像データ等は、この挿入装着部にセットされるメモリカード９０に記録される。

図３は、撮像装置１の機能構成を示すブロック図である。

撮像素子２０は、例えばＣＣＤとして構成されており、被写体像を撮影して電子的な画像信号を生成する。具体的には、撮像素子２０は、撮影レンズ２によって結像された被写体の光像を、画素毎にＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色成分の画像信号（各画素で受光された画素信号の信号列からなる信号）に光電変換して出力する。

撮像素子２０で生成された画像信号はアナログ信号処理部２１に与えられ、アナログ信号処理部２１において画像信号にアナログ信号処理が施される。具体的には、アナログ信号処理回路２１は、オートゲインコントロール回路（ＡＧＣ）を有しており、このオートゲインコントロール回路でゲインを調整することにより画像信号のレベル調整を行える。

Ａ／Ｄ変換器２２は、アナログ処理部２１で増幅された画像信号の各画素信号を、例えば１０ｂｉｔのデジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号は、制御部８内のデジタル処理部８０に入力され、ＷＢ（ホワイトバランス）処理やγ補正処理、色補正処理等の画像処理が施される。

デジタル処理部８０で処理された画像データは、表示部５に表示したり、メモリカード９０に記録される。

Ｄ／Ａ変換器２３は、制御部８から送信されるデジタル信号をアナログ信号に変換し、撮像素子２０に出力する。

タイミングジェネレータ２４は、撮像素子２０、アナログ処理部２１およびＡ／Ｄ変換器２２を駆動させるための各種のパルスを発生する部位で、複数種の駆動パルスの出力が可能である。これらの駆動パルスは、制御部８からのタイミングパルスに基づき生成される。

このタイミングジェネレータ２４および撮像素子２０は、一体として撮像素子駆動回路ＣＵ内に設けられている。この撮像素子駆動回路ＣＵについては、後で詳述する。

制御部８は、コンピュータとして働くＣＰＵおよびメモリを有しており、撮像装置１の各部を統括的に制御する。また、制御部８は、撮影状態に応じて、後述するＳＵＢパルスの反転／非反転を切り替える信号を撮像素子駆動回路ＣＵに送信する。

＜撮像素子２０の機能について＞
図４は、撮像素子２０の機能を説明するための図である。図４(ａ)〜(ｅ)は、それぞれ撮像素子２０のポテンシャル概念を示しており、撮像素子２０における各状態を表している。

撮像素子２０では、被写体からの光線が撮影レンズ２を通って入射されることにより、フォトダイオードおよびＭＯＳキャパシタを有する光電変換部(光電変換セル)において光電変換が行われ、信号電荷が蓄積される(図４(ａ))。

光電変換部で蓄積された電荷は、タイミングジェネレータ２４からの読み出し信号によりＶＣＣＤ(垂直ＣＣＤ)に送られる(図４(ｂ))。そして、ＶＣＣＤ上の電荷は、ＣＣＤ転送信号により順次読み出されて出力される。

光電変換部での光電変換時において、高輝度被写体から光が入射される場合や、電荷蓄積時間(露光時間)が適正露出条件より極端に長くなる場合には、過剰な光電変換によってＭＯＳキャパシタの容量を超えた電荷が発生する。このような場合、通常は、図４(ｃ)に示すように光電変換部とＶＣＣＤとの間の障壁における静電ポテンシャルより若干高いポテンシャルを持つ障壁として形成されるオーバーフロードレイン(ＯＦＤ)により、余剰電荷が排出される。

しかしながら、光電変換部において更に大量の電荷が生成される場合には、この電荷がＯＦＤから排出しきれず、図４(ｄ)に示すようにＶＣＣＤや周辺の画素に電荷が流れ込むブルーミング現象を引き起こすこととなる。

一方、ＯＦＤのポテンシャルを制御する駆動信号として働く電子シャッターパルス(ＳＵＢパルス)が撮像素子２０に印加されることにより、図４(ｅ)のようにＯＦＤのポテンシャルが上昇し、光電変換部において生成される電荷の排出を強制的に行わせることが可能となる。

本実施形態においては、高輝度被写体を撮影した場合等に生じるブルーミングを抑えるため、上記のＳＵＢパルスを本撮影時等に反転させて撮像素子に入力させるようにするが、このＳＵＢパルスを反転させるための撮像素子駆動回路ＣＵの構成について、以下で説明する。

＜撮像素子駆動回路ＣＵについて＞
図５は、撮像素子駆動回路ＣＵの構成を示す図である。

撮像素子駆動回路ＣＵは、上述した撮像素子２０およびタイミングジェネレータ２４を備えるとともに、インバータ回路２５と、スイッチ回路２６と、スイッチ回路２６から出力されるパルス信号を撮像素子２０に入力するためのドライバ２７とを備えている。

タイミングジェネレータ２４から出力されたＳＵＢパルスについては、スイッチ回路２６に直接入力されるとともに、インバータ回路２５によって位相が反転されてスイッチ回路２６に入力される。以下では、スイッチ回路２６に直接入力される通常のＳＵＢパルスを通常ＳＵＢパルスと呼び、インバータ回路２５を介して入力される反転したパルス信号を反転ＳＵＢパルスと呼ぶこととする。

このようにスイッチ回路２６には、通常ＳＵＢパルスおよび反転ＳＵＢパルスの２種類のパルス信号が入力されるが、制御部８(図３)から送信されるＳＵＢパルス切り替え信号により、通常ＳＵＢパルスまたは反転ＳＵＢパルスを選択して出力することとなる。

以上のようなインバータ回路２５等による比較的簡単な回路構成によって反転ＳＵＢパルスの生成が可能な撮像装置１の動作を説明する。

＜撮像装置１の動作について＞
図６は、撮像装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。この図６では、時間を横方向にとり、水平同期信号ＨＤおよびＳＵＢパルスのパルス列を図示している。

図６に示すように撮像装置１においては、ライブビュー表示時に通常ＳＵＢパルスＰａを撮像素子２０に入力する動作が行われるとともに、本撮影時、より厳密にはシャッターボタン９が全押し(Ｓ２オン)されてから露光開始までの期間に反転ＳＵＢパルスＰｂを撮像素子２０に入力する動作が行われる。

ここで、１パルス周期におけるオン信号の占有時間がかなり短い通常ＳＵＢパルスＰａを、ライブビュー表示を行う期間（第１の状態）において撮像素子２０に入力させるのは、上述したように垂直転送および水平転送が実施されていない僅かな時間に、ＯＦＤのポテンシャルを変更させるためである。

これに対して、本撮影時においては、シャッターボタン９の全押しによる撮影指示から露光開始までの期間（第２の状態）は電荷転送が行われないため、この期間にＳＵＢパルスのオン状態を長くすることによりブルーミング防止を図ることとする。すなわち、反転ＳＵＢパルスＰｂでは、通常ＳＵＢパルスＰａに比べて１パルス周期のうちの電荷排出時間(オン信号の時間)が長くなるため、この反転ＳＵＢパルスＰｂを撮像素子２０に入力することで、本撮影時におけるブルーミングの抑制効果を向上させる。

直射日光など非常に高輝度の被写体を撮像した場合には、一水平期間(約０.１〜０.１５ｍｓ)でも過剰な光電変換を起こし、ブルーミングが発生する恐れがある。また、近年の撮像素子においては、上述のように小型化、高画素化に伴い隣接画素までの距離が短く、ますますブルーミングに関して不利な状況となっている。

このようにブルーミングが発生しやすい状況となっても、撮像装置１では撮像素子駆動回路ＣＵのインバータ回路２５で生成される反転ＳＵＢパルスを本撮影時において撮像素子２０に入力することにより、簡単な回路構成でブルーミングの抑制を適切に行えることとなる。すなわち、簡易な回路でＳＵＢパルスを反転させて、電荷転送に影響を与えないシャッターボタンの全押し直後から露光直前までの期間においてＯＦＤのポテンシャルを引き上げた状態にして電荷の強制排出時間を長くすることにより、ブルーミングが発生しやすい環境下でも十分なブルーミングの抑制を図れる。

なお、撮像装置１においては、図５に示す輝度信号に応じてスイッチ回路２６で反転ＳＵＢパルスに切り替えるようにしても良い。この場合には、ライブビュー表示時の画像データに基づき制御部８で得られる、例えば被写体の平均輝度値などの輝度信号がスイッチ回路２６に入力され、低輝度の被写体を撮影する場合（第１の状態）には通常ＳＵＢパルスがスイッチ回路２６から出力されるとともに、高輝度の被写体を撮影する場合（第２の状態）には反転ＳＵＢパルスが出力されるようにする。これにより、ブルーミングが発生しやすい高輝度時でも、簡単な回路構成によりブルーミングの抑制を適切に行えることとなる。

＜変形例＞
◎上記の実施形態においては、ライブビュー表示や本撮影のタイミング情報を制御部から撮像素子駆動回路ＣＵ(図３)が取得し、この取得した情報に基づいて通常ＳＵＢパルスと反転ＳＵＢパルスとを切り替えるようにしても良い。このような動作を行える撮像素子駆動回路ＣＵは、本発明に係る撮像装置として機能することとなる。

◎上記の実施形態におけるＳＵＢパルスの反転については、図５に示すような回路構成で実現するのは必須でなく、タイミングジェネレータ内部のレジスタ設定によって立下り、立上りのエッジのタイミングを逆転させるようにしても良い。

本発明の実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。撮像装置１の外観構成を示す図である。撮像装置１の機能構成を示すブロック図である。撮像素子２０の機能を説明するための図である。撮像素子駆動回路ＣＵの構成を示す図である。撮像装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１撮像装置
８制御部
２０撮像素子
２４タイミングジェネレータ
２５インバータ回路
２６スイッチ回路
ＣＵ撮像素子駆動回路
Ｐａ通常ＳＵＢパルス
Ｐｂ反転ＳＵＢパルス

Claims

撮像装置であって、
(a)光電変換を行う光電変換部に蓄積された電荷を排出するためのオーバーフロードレインを有する撮像素子と、
(b)前記オーバーフロードレインのポテンシャルを制御する駆動信号を、前記撮像素子に出力する駆動手段と、
を備え、
前記駆動手段は、
(a-1)被写体の撮影に係る第１の状態の場合には、第１のパルス信号を前記駆動信号として出力する第１出力手段と、
(a-2)前記第１の状態と異なる第２の状態の場合には、前記第１のパルス信号に対して位相を反転させた第２のパルス信号を前記駆動信号として出力する第２出力手段と、
を有するとともに、
前記第２のパルス信号では、前記第１のパルス信号に比べて１パルス周期のうちの電荷排出時間が長くなることを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１の状態は、ライブビュー表示を行う期間に相当し、
前記第２の状態は、本撮影に関して撮影指示から露光開始までの期間に相当することを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１の状態は、低輝度の被写体を撮影する状態であり、
前記第２の状態は、高輝度の被写体を撮影する状態であることを特徴とする撮像装置。
光電変換を行う光電変換部に蓄積された電荷を排出するためのオーバーフロードレインを有する撮像素子と、前記オーバーフロードレインのポテンシャルを制御する駆動信号を前記撮像素子に出力する駆動手段とを利用する撮像方法であって、
(a)被写体の撮影に係る第１の状態の場合には、第１のパルス信号を、前記駆動信号として前記駆動手段から出力する第１出力工程と、
(b)前記第１の状態と異なる第２の状態の場合には、前記第１のパルス信号に対して位相を反転させた第２のパルス信号を、前記駆動信号として前記駆動手段から出力する第２出力工程と、
を備え、
前記第２のパルス信号では、前記第１のパルス信号に比べて１パルス周期のうちの電荷排出時間が長くなることを特徴とする撮像方法。